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【摘要】數(shù)控機床控制系統(tǒng)是機械加工制造行業(yè)中的重點內(nèi)容，其能夠使機床實現(xiàn)多軸聯(lián)動加工，與機械加工生產(chǎn)要求相符合，有助于加工效率提升。機械加工的精度和效率則取決于該控制系統(tǒng)性能及其運行過程是否穩(wěn)定。將PCL應用到該系統(tǒng)中，能夠提升其操作水平，使數(shù)控機床運行更加靈活、可靠，為后續(xù)各產(chǎn)品及器件加工奠定良好的基礎。

【關鍵詞】PLC；數(shù)控機床；電氣控制系統(tǒng)；實現(xiàn)

1前言

數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺，其能夠通過工藝改進及優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量及效益提升。因微電子、計算機和自動控制技術均取得了突破及發(fā)展，以往數(shù)控機床技術已經(jīng)不具備適用性，難以滿足當前的生產(chǎn)及工藝要求。以PLC為依托，將其應用到數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中，有助于提高數(shù)控系統(tǒng)自動化水平及其生產(chǎn)效率，為機械加工和生產(chǎn)提供良好的外部條件。

2數(shù)控機床結構

2．1基本結構

通常情況下，數(shù)控機床基本結構包含三個方面內(nèi)容:(1)機床主體。主要用以各零部件加工，滿足實際生產(chǎn)要求。(2)電氣控制單元。將主體部分工作作為重點控制內(nèi)容，包含運動、邏輯、工藝等。其在電氣控制系統(tǒng)中不可或缺。(3)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。該部分功用是執(zhí)行零件加工工作，經(jīng)電磁閥控制，使機械各運動順利完成。其是PLC的核心部分，既能夠?qū)ο到y(tǒng)軟件及程序等，進行全面分析，在其使用過程中的作用也是不可規(guī)避的。

2．2數(shù)控機床特殊結構

(1)急停按鈕。該按鈕通常處于斷開狀態(tài)，而開關燈接觸點也是閉合的。一旦按下急停按鈕，會使接觸點斷開，系統(tǒng)中全部控制繼電器也會隨之斷開。切斷電源能夠使系統(tǒng)更加安全。當一切回歸正常后，能夠復位繼續(xù)開展相關工作。(2)超程限位程序。該程序處于松動狀態(tài)。按下某條軸超程限位開關，會使接觸點斷開，其在控制回路中的繼電器處于斷電狀態(tài)。當系統(tǒng)接收到報警信息后，安全性比較高［1］。

3PLC概述及作用

3．1PLC概述

PLC即可編程控制器件，它以可編程存儲器為依托，借助存儲器，實施邏輯運算、順序控制、定時等相關指令。而各機械自動化控制則通過數(shù)字實現(xiàn)。PLC作為一種計算機設備，主應用界面是工業(yè)控制。主要結構包含電源、CPU、存儲器、輸入輸出、功能模塊。其語言簡明，編程和應用極為簡便。同時，它具備完整的硬件設施，適用性強，用戶能夠以此為基礎，對系統(tǒng)進行靈活配置，使其功能和規(guī)模各異。其以軟件對中間及時間繼電器進行替代，僅包含少量硬件元件，可靠性高。該背景下，集成電路技術應用比較多，通過微處理器，抵抗各類干擾。

3．2PLC在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中的作用

數(shù)控機床具備自動化特征，內(nèi)置程序控制系統(tǒng)，在工業(yè)加工中應用普遍。其本質(zhì)是設備產(chǎn)品，有助于加生產(chǎn)效率提升及企業(yè)經(jīng)濟效益實現(xiàn)。數(shù)控機床控制系統(tǒng)為數(shù)控機床提供運行依托，能夠?qū)哂锌刂凭幋a或氣體符號指令規(guī)定的程序進行邏輯處理，在數(shù)控裝置中，以代碼形式輸入和呈現(xiàn)，實現(xiàn)機床動作控制，并聽從指令，執(zhí)行相關操作。但是，當前技術的變革和加工規(guī)模的擴大，使該系統(tǒng)在運行中受到諸多桎梏，穩(wěn)定性難以保障，運行效率難以保障，且易發(fā)生安全事故，出現(xiàn)人員傷亡或財產(chǎn)損失。數(shù)控機床運行效率與其性能具備直接相關性。因而，需加大該系統(tǒng)研究力度。作為可編程控制器件，PLC核心是微處理器，將其應用于機械制造加工中，極具優(yōu)越性。其是對傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)的創(chuàng)新，使接線更加簡單、靈活、可靠，有助于機械數(shù)控裝置自動化水平的提升。同時，PLC具備很強抗干擾性和自我檢測能力，在該領域極具適用性，使數(shù)控機床運行更加安全、可靠［2］。

4PLC下的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)

PLC屬于全閉環(huán)系統(tǒng)，主要構成要素有電動機、變頻器、光柵尺，實施控制過程中，精度極高。

4．1電氣控制系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要構成元素有工控機、電源模塊、電動機模塊、光柵尺、SIMOTION、傳感器和變頻器等，如圖1所示。(1)電源模塊。經(jīng)變頻器，實現(xiàn)交流電向直流電轉(zhuǎn)化。繼而借助逆變器，使直流電轉(zhuǎn)化為預定頻率交流電。電源模塊可細分為可調(diào)和不可調(diào)。前者依托于參數(shù)，以預定可變值，對轉(zhuǎn)化出來的直流電進行穩(wěn)定，可與SIMOTION實現(xiàn)通信。不可調(diào)電源模塊僅能對固定直流電壓值進行輸出，無法與SIMOTION進行通信。(2)電動機模塊。依托于電動機模塊，實現(xiàn)直流電至預定頻率交流電逆變，以服務于電動機。該模塊共有裝機樁柜型和書本型兩種，書本型又可以單軸和雙軸兩種形式細化。(3)SIMOTION運動控制器。在電氣控制系統(tǒng)中，其居于核心位置，運行速度及可靠性直接關乎電氣控制系統(tǒng)性能。主要功能包含運動、邏輯和工藝控制三個方面。

4．2電氣控制系統(tǒng)硬件部分

硬件設計屬電氣控制系統(tǒng)重點內(nèi)容，可細化為如下三個方面內(nèi)容。(1)機械手自動換刀。其自由度共2個，能夠提高數(shù)控機床性能及工作效率。具體實施方法是經(jīng)電磁閥開關控制，伸展機械臂或夾緊刀具，順利完成機械手各動作，使換刀過程更加簡便，具備自動化特征。(2)斷刀檢測。光纖傳感器是斷刀檢測系統(tǒng)核心，在24V電源上，直接對OC門三根接入線進行接入。經(jīng)上述操作，實現(xiàn)電平輸出。執(zhí)行加工操作時，很容易磨損刀具，或出現(xiàn)斷裂情況。為保障加工質(zhì)量及性能，需對刀具實施檢測。一旦磨損，機床可自動換刀，并向上機位發(fā)出通知。光纖傳感器對斷刀檢測提供技術依托。(3)深度檢測。通常情況下，機械手或人工插入刀具深度，決定了換刀過程中的主軸夾緊位置。因而，可借助深度檢測器，對刀具深度實施檢測［3］。

4．3PLC下的數(shù)控機床電氣控制研究方法

電氣控制系統(tǒng)是否安全、可靠，主要取決于數(shù)控機床電氣控制方法。該過程中PLC數(shù)控機床電氣控制研究極為必要。軟件設計在電氣控制系統(tǒng)中尤為重要，屬核心部件。在SIMOTION中運行的軟件為下位機軟件。上位機進行數(shù)據(jù)接收，并對執(zhí)行部件工作過程實施控制，并檢測機床狀態(tài)。完成軸組裝工作之后，可依托于程序?qū)嵤┫嚓P操作，經(jīng)操作系統(tǒng)，對SIMOTION內(nèi)部程序?qū)嵤┱{(diào)用。工控機多進行文件信息讀取，實施數(shù)據(jù)傳遞。SIMOTION經(jīng)數(shù)據(jù)接收后，對電動機模塊進行控制和驅(qū)動，以帶動工作臺，實施位置控制。同時，經(jīng)光柵尺，對工作臺信息進行檢測，后傳遞給SIMOTION，以實施工作臺位置調(diào)整。但其不能夠直接識別光柵尺信號，執(zhí)行該工作之前，需要借助傳感器，實現(xiàn)光柵尺信號轉(zhuǎn)化，使其為標準信號。通過多個傳感器，檢測工作臺狀態(tài)，并發(fā)送至電氣控制系統(tǒng)。傳感器信號，經(jīng)ET200，至SIMOTION，實現(xiàn)處理，最終傳至電氣控制系統(tǒng)。

5數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)常見故障

為有效預防或規(guī)避數(shù)控機床加工過程中，對操作人員、機床本身或工件產(chǎn)生損害，可將急停和超程作為重點處理對象。急停按鈕的主要作用是當數(shù)控系統(tǒng)或機床出現(xiàn)緊急情況時，使其立即停止工作，或?qū)⑺欧?qū)動器等動力裝置主電源立即切斷。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中有自動報警信息，按下急停按鈕。完成信息查看及故障處理之后，回歸原有狀態(tài)，使系統(tǒng)能夠正常工作。通常情況下，機床會因如下原因出現(xiàn)無法復位情況。首先，電氣原因，急?；芈繁磺袛?、損壞限位開關或急停按鈕等。其次，設置系統(tǒng)參數(shù)時，存在偏差，無法對系統(tǒng)信號進行正常輸入輸出，也不能夠及時復位，出現(xiàn)急停故障及問題。PLC軟件沒有及時向系統(tǒng)發(fā)送復位信息。對KA中間繼電器和PLC程序?qū)嵤z查。第三，PLC系統(tǒng)復位所需信息，與相關要求不符合，未能對電源模塊、接線問題和伺服動力電源空氣開關實施準確檢查。第四，PLC程序編寫存在偏差［4］。

6PLC下的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計

電機、光柵尺和變頻器是PLC數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的主要構成元素。以該技術為依托，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)控技術升級及改進，提升其精確度。該系統(tǒng)在全封閉狀態(tài)下，執(zhí)行換刀、斷刀、刀位及通信檢測等相關功能，使數(shù)控機床更具自動化特征，實現(xiàn)生產(chǎn)效率及工藝水平的提升。

6．1優(yōu)選電氣控制系統(tǒng)方式

數(shù)控機床系統(tǒng)能否成功，與其電氣控制方式具備很大相關性。為提升產(chǎn)品加工精度，需將電氣機床控制系統(tǒng)性能提升作為重點考量內(nèi)容?；谏鲜鲆乜剂?，產(chǎn)品加工精度及效率由數(shù)控機床性能決定。依據(jù)實際工況，全面分析零件加工條件，對系統(tǒng)功能具備清晰的認知和了解，依據(jù)相關特性，實施程序編輯。依據(jù)PLC控制，對X軸和Y軸予以確定。該控制方式極為封閉，經(jīng)該操作，可對PLC電氣控制系統(tǒng)的文件處理、數(shù)據(jù)處理及人機交互能力進行全面發(fā)揮。因而，將閉環(huán)控制作為最佳控制方式，經(jīng)計算機加運動控制器和電機光柵尺方式實現(xiàn)。同時，以傳感器為依托，連接數(shù)控機床，并及時反應感應信息。運動控制器中軸數(shù)量不是固定不變的，具備擴展性特征，使系統(tǒng)維護及升級更加便利。倘若以標準接口，實施系統(tǒng)運動控制接入，便于其對PLC功能執(zhí)行進行有效控制。而光柵尺又能夠向控制系統(tǒng)傳送高精度位置信息。該部分工作任務由系統(tǒng)配合完成。

6．2以PLC為依托的程序設計

數(shù)控機床電氣控制中，PLC屬于重點內(nèi)容。數(shù)控機床的PLC程序，能夠?qū)崿F(xiàn)處理時間控制，使其在幾十毫秒至幾百毫秒之間。以該種方式，使數(shù)據(jù)信息處理更加科學、便利。該過程中，也會存在諸多制約性因素。例如，部分響應速度要求高的信號暢通性不足。因而，設計PLC程序時，可對其實施高級程序和低級程序劃分。繼而依據(jù)控制功能特性，將低級程序劃分為多個模塊，執(zhí)行編譯工作。主要編譯內(nèi)容有主軸、三大直線軸及各類操作面板等。

6．3PLC下數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)參數(shù)配置

研究該系統(tǒng)工作時，需將參數(shù)配置作為重點考量內(nèi)容。該過程中涉及到的相關參數(shù)包括完成機床各類所需功能、數(shù)控系統(tǒng)與機床結構相匹配所需設置的各類數(shù)值。因而，無論是軟硬件設計，還是PLC程序設計，都要重點參考立式加工中心各功能及結構相關要求。以此為依據(jù)，對數(shù)控機床各指標參數(shù)進行科學設置?？茖W執(zhí)行上述操作，能夠使基于PLC技術數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)在應用過程中，與實際生產(chǎn)需求相符合，最大程度發(fā)揮系統(tǒng)性能優(yōu)勢，達到良好的生產(chǎn)設計效果［5］。

6．4PLC與數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床間信息交換

信息共享及交換是數(shù)控機床控制系統(tǒng)運行過程中的重點內(nèi)容。當信息無法正常傳遞或交換，會對整個系統(tǒng)運作產(chǎn)生干擾。以數(shù)控機床控制系統(tǒng)為界面，為對PLC進行有效應用，可重點關注信息之間的傳遞和交換。該過程中，信息的產(chǎn)生、傳遞和交換以PLC、數(shù)控機床和數(shù)控機床控制系統(tǒng)為主要依托。為使信息傳遞和交換更加便利，需對底層PLC控制和上位機監(jiān)控實施全面組合，以對數(shù)控機床控制系統(tǒng)進行科學設置。分別將PLC主機安裝在集控系統(tǒng)3個控制室中，在PLC、數(shù)控機床、數(shù)控機床控制系統(tǒng)間建立良好的連接關系。在PLC輸入接口對機床外側(cè)I/O單元接口進行有效連接。編程人員可依據(jù)數(shù)控機床的信息傳遞情況，進行自由定義及修改，繼而將其傳遞至機床。在機床接口對PLC輸出接口進行接入時，也可對由PLC通過輸出接口向機床傳遞出的信息內(nèi)容及地址進行自由定義。然后由CNC至PLC。開展信息交流及交換工作時，經(jīng)由CNC廠家，對PLC送至CNC的全部信號地址和含義進行確定。PLC編程者僅有使用權限，不能夠?qū)υ擃愋畔⑦M行隨意更改或增刪。

7結語

綜上所述，在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中，對PLC技術進行科學應用，有助于其邏輯處理能力提升及完善。設計人員要對該過程進行嚴格控制，使設計內(nèi)容更加完整，從而達到良好的生產(chǎn)應用效果。同時，該系統(tǒng)也具備成本和功能方面的優(yōu)勢。但受外部科技環(huán)境制約，其仍然存在諸多限制性因素。應用正確的方式，對其進行加工設計，提升其生產(chǎn)效率及精確度，為數(shù)控機床電氣控制工作開展奠定良好的基礎，實現(xiàn)設備性能提升，使其功能更加完善及多樣化。

參考文獻:

［1］王玲．基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)研究［J］．新技術新工藝，2013(12):125～127．

［2］陳麗芳．淺析基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的設計［J］．科技展望，2015(16):149．

［3］陳北莉．基于PLC的數(shù)控雙面鏜組合機床控制系統(tǒng)設計［J］．自動化與儀器儀表，2015(06):54～55，58．

［4］丁立．數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的PLC設計［J］．數(shù)字技術與應用，2012(11):28，31．

［5］慕卒也．淺議PLC在機床電氣控制系統(tǒng)改造中的應用［J］．信息記錄材料，2016(05):32～34。

作者:何偉 單位:重慶電力高等?？茖W校電力工程學院